(57)【要約】【課題】              本発明は、メンテナンスフリーな摺動部材と、その安価な製造方法を得ることを課題とした。【解決手段】        ４ａ、５ａ、６ａ族元素金属の炭化物または窒化物または炭窒化物、ステンレス鋼、高速度鋼、ダイス鋼のいずれか１種以上を主成分とする気孔率１〜４０％の連通する通気孔を有する硬質材料の通気孔中に、ＩｎまたはＩｎを３０原子％以上含有する合金が充填された構造を有することを特徴とする摺動部材を作製することにより前記課題を解決した。本発明の摺動部材は、メカニカルシールやスリーブ、ベアリングなどの摺動部材をはじめ、使用時に摺動が発生する合金やセラミックス部材として使用することができる。また、長期間にわたり真空環境や高温環境など、有機潤滑剤が適さない環境下で好適に使用できる摺動部材に利用できる。【選択図】          なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
４ａ、５ａ、６ａ族元素金属の炭化物または窒化物または炭窒化物、ステンレス鋼、高速度鋼、ダイス鋼のいずれか１種以上を主成分とする気孔率１〜４０％の連通する通気孔を有する硬質材料の通気孔中に、ＩｎまたはＩｎを３０原子％以上含有する合金が充填された構造を有することを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
硬質材料が、特にＷＣ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、Ｃｒ３Ｃ２、ＴａＣのいずれか１種以上を主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項３】
硬質材料が特に０．１〜１５重量％のＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも１種以上とＷＣからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の摺動部材。
【請求項４】
特に軸受として使用する請求項１から請求項３のいずれかに記載の摺動部材。
【請求項５】
特にメカニカルシール用部材として使用する請求項１から請求項３のいずれかに記載の摺動部材。
【請求項６】
特に真空環境下で使用することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の摺動部材。
【請求項７】
４ａ、５ａ、６ａ族元素金属の炭化物または窒化物または炭窒化物、ステンレス、高速度鋼、ダイス鋼のいずれか１種以上の粉末を、非酸化性雰囲気中で７５０Ｋ〜２６００Ｋの温度にて焼結して得られる気孔率１〜４０％の連通する通気孔を有する硬質材料と、ＩｎまたはＩｎを３０原子％以上含むＩｎ合金とを、接触させて非酸化性雰囲気で３２３〜７７３Ｋに昇温し、硬質材料の通気孔中にＩｎまたはＩｎ合金を含浸することを特徴とする摺動部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は長期間にわたり、真空環境や高温環境など、有機潤滑剤が適さない環境下で好適に使用できる摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来よりＩｎは良好な摺動部材の潤滑剤として知られている。
【０００３】
Ｉｎは、融点が低く、硬度や強度に劣るために構造材として適していない。そのために例えば特許文献１や特許文献２に示されるように、硬度や強度が構造材として充分に高い鉄材、超硬合金やセラミックスなどの部材の表面にＩｎを含有する層を作り、摺動特性を向上させる方法が考案されている。  
【０００４】
この方法により、Ｉｎの潤滑性を利用して優れた摺動部材を得ることができるが、使用するにつれＩｎを含有する層が摩耗し、最終的には摺動面に充分なＩｎが供給されなくなる。
【０００５】
また、特許文献３に示すように摺動する部材間に潤滑剤としてＩｎを含む合金を用いる方法も考案されている。この方法は、潤滑剤が流れ出さないように潤滑部を密封しておく必要がある。そのために、摺動面積の広いシールリングや軸受スリーブなどについて使用することは難しく、製造費用がかさむ。また、多量の潤滑剤が摺動部材間に存在するために、Ｉｎの融点以上に装置が昇温した状態でないと部材間に存在する多量のＩｎによる抵抗が大きいために装置を動かすことができず、必ずヒーターなどの温度制御のための装置が必要となる。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１９３８４２号公報
【０００７】
【特許文献２】特開２００２−０３１１４４号公報
【特許文献３】特開２０００−２０５２８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、メンテナンスフリーな摺動部材と、その安価な製造方法を得ることを課題とした。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の本発明は、４ａ、５ａ、６ａ族元素金属の炭化物または窒化物または炭窒化物、ステンレス鋼、高速度鋼、ダイス鋼のいずれか１種以上を主成分とする気孔率１〜４０％の連通する通気孔を有する硬質材料の通気孔中に、ＩｎまたはＩｎを３０原子％以上含有する合金が充填された構造を有することを特徴とする摺動部材である。４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物または酸化物または炭酸化物、ステンレス、高速度鋼、ダイス鋼は高硬度で、高温での耐摩耗性にも優れていることから摺動部材に適している。また、特に４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物または酸化物または炭酸化物は一般的に粉末冶金法により得られる材料であるために、その際の有機添加物や焼結温度、その他条件を調整することにより気孔率や気孔径を調整することが可能である。
【００１０】
含浸する金属または合金にはＩｎまたはＩｎを３０原子％以上含む合金が適している。  Ｉｎは融点が低く、液体状態での潤滑性が高く、固体状態でのせん断力に対する抵抗が金属で最も低い。そのために摺動時に発生する摩擦熱により摺動面の温度がＩｎの融点以上の温度になり、Ｉｎが溶融する場合に限らず、それよりも低い温度でも負荷はある程度かかるが摺動として用いることが可能である。Ｉｎ合金に適した合金を作る金属はＣｕ，Ｃｄ，Ｚｎ，Ａｇ，Ｓｎ等であり、融点や摺動抵抗を下げることができる。特にＳｎ−Ｉｎ系合金は融点を３２３Ｋ以下にまで下げることができる。
【００１１】
また、固体から液体への相変態により体積膨張が起こるため、使用時には材料からＩｎが摺動面に供給され、逆に摺動終了後に温度がＩｎまたはＩｎ合金の融点以下に下がる際には、毛細管現象により摺動面からＩｎまたはＩｎ合金が吸収されるために、繰り返しの使用にも充分耐える。また、特許文献３のように摺動部を密封しておく必要がなく、温度がＩｎの融点以下で使用を始める際にも摺動面に凝固した固体Ｉｎが大量に凝着しないため（摺動部材の冷却による体積収縮と毛細管現象で気孔にＩｎが戻るために）、Ｉｎの融点以下で低抵抗にて使用を始めることができヒーターなどの設備は必要でない。
【００１２】
さらに、特許文献１〜３に示した技術と比較して、材料の全体にわたってＩｎが含浸しているために、材料が摩耗した際にも常に摺動面にＩｎまたはＩｎ合金が供給され、優れた潤滑特性が持続する。
請求項２に記載の本発明は硬質材料が、特にＷＣ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、Ｃｒ３Ｃ２、ＴａＣのいずれか１種以上を主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材である。
ＷＣ，ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、Ｃｒ３Ｃ２、ＴａＣは４ａ、５ａ、６ａ属金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の中でも特に耐摩耗性、硬度、強度に優れ、また製造しやすいために摺動部材に適している。また、請求項３のＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉからなる金属バインダーを添加したＷＣ基超硬合金を硬質材料として用いたものは経済面、曲げや圧縮に対する機械的強度などの特性面からさらに摺動用途に適している。ＷＣを基とする超硬合金は高硬度で、耐摩耗性にも優れていることから摺動部材に適している。また、これらは粉末冶金法により得られる材料であるために、その際の有機添加物や焼結温度、その他条件を調整することにより気孔率や気孔径を調整することが可能である。気孔率はその気孔中を含浸した金属または合金が流動する必要があるために、気孔が焼結体中を連通しており、その表面で開孔を有する必要がある。それに適した気孔率は１〜４０％が適当である。１％よりも気孔が少ない場合は連続的に気孔を作るのは難しく、また、４０％を超える場合は気孔径が大きくなるために、含浸された金属や合金を保持するのに適さなくなり、材料の機械的強度も大きく下がる。
請求項４に記載の本発明は、特に軸受として使用する請求項１から請求項３のいずれかに記載の摺動部材である。また、請求項５に記載の本発明は、特にメカニカルシールとして使用する請求項１から請求項３のいずれかに記載の摺動部材である。
これらの用途は、特に摺動時の摩擦が大きく、また、摺動時にはブレの発生を嫌う用途である。本発明の摺動部材をこれらの用途に使用することにより、使用開始時の室温のような比較的低温の状態から、使用中に摩擦熱が発生した状態（ＩｎまたはＩｎ合金の融点より高い状態）、使用後に冷却した状態を通して良好な摺動特性を得ることができる。
【００１３】
請求項６に記載の本発明は、特に真空環境下で使用することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の摺動部材である。例えば宇宙空間、真空環境下にて使用する摺動部材は、地上で使用するものと違い、整備に莫大な費用がかかるために部品交換は実質上不可能でありまた環境の気圧、重力、温度は大きく変化し、地上のそれと異なる。そのために、有機物の潤滑剤は変質や分解や拡散が起こり全く適さない。これに対して、本発明の摺動部材では、ＩｎまたはＩｎ合金の沸点までは安定した潤滑が得られるためにこのような用途に適している。
【００１４】
請求項７に記載の本発明は、４ａ、５ａ、６ａ族元素金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、ステンレス、高速度鋼、ダイス鋼のいずれか１種または２種以上の粉末を混合、プレス成形し、７５０Ｋ〜２６００Ｋの温度で焼結して得られた気孔率１〜４０％の気孔を有する硬質材料のスケルトンと、Ｉｎ粉末、Ｉｎ金属塊またはＩｎを３０重量％以上含むＩｎ合金粉末、塊を接触させた状態で非酸化性雰囲気中で３２３〜７７３Ｋに昇温し、硬質材料スケルトン中にＩｎまたはＩｎを３０重量％以上含むＩｎ合金を含浸したことを特徴とした摺動部材の製造方法である。
【００１５】
硬質材料と接触された液体状態のＩｎまたはＩｎ合金は、毛細管現象にてスケルトン中の連続気孔に溶浸され一体となる。その後に機械加工、電気加工などにより所望の形状に加工することにより、本発明の摺動部材を得ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は以下の効果を奏する。
（１）有機系潤滑剤が不要な摺動部材を得ることができる。
（２）潤滑剤の蒸発による汚染を嫌う環境下で使用でき、安定した潤滑と長寿命を得られる摺動部材を得ることができる。
（３）低温でＩｎ、Ｉｎ合金が固体の状態でも低抵抗にて摺動し、有機物潤滑剤が使用できない高温の環境でも安定して使用できる摺動部材を得ることができる。
（４）特に真空状態などの非酸化性雰囲気では、Ｉｎの酸化による摺動特性の劣化がなく、さらに長寿命が得られ、高温での使用が可能になる。
（５）本発明の摺動部材の製造方法を用いれば、安価で均質な有機系潤滑剤が不要な摺動部材を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の摺動部材は以下の方法にて得ることができる。
【００１８】
まず、４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の粉末、または熱処理や焼結を行うことにより４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物に変化する粉末、または、ステンレス鋼（ＪＩＳ規格Ｇ４３０３−Ｇ４３２０）、高速度鋼（ＪＩＳ規格Ｇ４４０３）、ダイス鋼（ＪＩＳ規格Ｇ４４０４）で、粉末の平均粒子径が０．１〜５０μｍに調整された粉末を、求める組成比にて混合する。混合は、ボールミル、ヘンシェルミキサー、アトライター、らいかい機、ブラストミルなど粉末が均一に分散する機器による方法であれば乾式、湿式、その条件など任意に選択できる。その後、必要に応じて成形性を良くするためのパラフィンや油脂などの有機バインダーを加える。次に、混合された粉末に、樹脂やプラスチックなどの脱脂、焼結時の温度で分解することにより焼結体中に気孔を生成するための添加物をさらに混合する。これらは、摺動部材に１〜４０％の気孔率を得るために必要となる。金型プレスなどの軸加圧プレス機や冷間静水圧プレス機などの加圧機により加圧を行い、プレス体を得る。このプレス体を所望の形状に加工を行った上で炉に投入する。工程や形状によっては熱を加えることにより粒子同士を結合させるいわゆる予備焼結の工程を入れ、その状態で加工を加えてもよい。焼結は、炭化物、窒化物を焼結するために、真空雰囲気や不活性ガス雰囲気、窒素ガス雰囲気、水素ガス雰囲気などの非酸化物雰囲気にて、プレス体の焼結が充分進行して機械的強度を得るために必要な７５０Ｋ〜２６００Ｋの範囲にて行う。焼結後に、研削加工、転動加工や電気加工、表面処理などを施すことにより所望の形状に加工を行う。
【００１９】
以上の方法により、本発明の摺動部材を得ることができるが、上記以外の方法であっても同等の効果を持つ方法であれば同様の摺動部材を得られる。例えば、混合粉末をプレス加工せずにカーボンなどの型に詰め、７５０Ｋ〜２６００Ｋ、プレス圧１０〜１０００ＭＰａにてホットプレスを行うことも可能であるし、混合粉末をプレス前にスプレードライヤーなどによって造粒するなどの方法も可能である。また、焼結体中に気孔を生成するための添加物は、それが均一に混合できるのであれば、焼成前のどの段階においての添加でも構わない。またさらに、前記焼結時の温度にて分解し、焼結体中に気孔を生成するための添加物を加えなくても、組成により連続した気孔を有す場合もある。
【００２０】
以下実施例により、より詳細に本発明を説明する。
【実施例１】
【００２１】
平均粒径１．５μｍのＷＣ粉末９５重量％と、平均粒径１．５μｍのＣｏ粉末５重量％とをヘンシェルミキサーにて１時間混合し、超硬合金材料となる混合粉末を得た。その後に、混合粉末に、平均粒径１０μｍであるオレフィン樹脂を、混合粉末の重量に対して１重量％加え、さらにヘンシェルミキサーにて１時間混合した。
【００２２】
樹脂の加わった混合粉末を円盤状の密封されたゴム型につめ、冷間静水圧プレス機にて１５０ＭＰａで加圧してプレス体を得た。プレス体を真空雰囲気炉にて１２７３Ｋまで熱して冷却することにより、いわゆる予備焼結を行った。この予備焼結体を機械加工にて外径φ２００ｍｍ、内径φ１５０ｍｍ、厚さ１５ｍｍのスリーブ形状に成型を行った。
次に成型体を脱脂焼結兼用炉にて脱脂および焼結を行った。炉に投入後に５Ｋ／分の昇温速度にて７７３Ｋまで昇温後１時間保持することで脱脂を行った。脱脂終了後に５Ｋ／分で同様に昇温し、焼結温度の１６２３Ｋまで昇温後２時間保持することにより焼結を行った。冷却後に焼結体の密度を測定したところ、相対密度は８２％であり、焼結体は海綿状ないしスケルトン状で、内部には連通した通気孔を有して焼結体の表面の一端から他端への通気が可能であった。
【００２３】
この焼結体を、焼結体の体積に対して２０％にあたる量の金属Ｉｎ粉末を敷き詰めた炭素容器中に置き、熱処理炉に投入した。炉内は水素ガスが満たされた還元性雰囲気であり、その状態で４７３Ｋに昇温し、冷却後に取り出した。熱処理中に液状となったＩｎは、毛細管現象により焼結体中に溶浸した。溶浸後に得られた材料の表面に残留した溶浸されなかったＩｎを除去すると共に、加工機にて部品形状である外径φ１５０、内径φ１３０、長さ１００ｍｍのスリーブとした。
【００２４】
得られたスリーブを摺動相手材が炭化珪素である軸受装置に使用したところ、一般の潤滑オイルを用いた軸受装置と比べても摩擦抵抗は同等であった。そのために、クリーンルーム内のように、潤滑オイルの蒸発を嫌う環境での使用は極めて有効であった。また、潤滑オイルと比較して酸化などによる劣化が少なく、また、熱にも強くほとんど変質しなかった。そのために、保守や交換が難しい軸受への使用は有効であった。
【実施例２】
【００２５】
組成がＳＫＤ６１（ＪＩＳ１９９９，Ｇ４４０４）相当の組成を持つ鉄を主成分とする金属を処理して粉末状とした金属粉末を準備した。この粉末は平均粒径２０μｍであった。
【００２６】
この粉末に平均粒径１０μｍであるオレフィン樹脂を混合粉末の重量に対して３重量％加え、ヘンシェルミキサーにて１時間混合した。
樹脂の加わった混合粉末をプレス金型につめ、１０ＭＰａで加圧してプレス体を得た。プレス体を真空雰囲気炉にて９７３Ｋまで熱して冷却することにより、脱脂および焼結を行った。炉に投入後に５Ｋ／分の昇温速度にて９７３Ｋまで昇温後１時間保持する条件にて行った。冷却後に焼結体の密度を測定したところ、相対密度は８８％であり、内部の気孔は焼結体表面から内部まで連続し、焼結体表面で開孔した気孔を有していた。
【００２７】
この焼結体を、焼結体の体積に対して１５％にあたる量の金属Ｉｎ粉末を敷き詰めたアルミナ製の容器中に置き、熱処理炉に投入した。炉内は真空雰囲気であり、その状態で４７３Ｋに昇温し、冷却後に取り出した。熱処理中に液体となったＩｎは、毛細管現象により焼結体中に溶浸した。溶浸後に得られた材料の表面に残留した溶浸されなかったＩｎを除去すると共に、加工機にて部品形状である外径φ１５０ｍｍ、内径φ１３０ｍｍ、長さ１００ｍｍのスリーブとした。
【００２８】
得られたスリーブを摺動相手材が軸受鋼（ＪＩＳ１９９９，Ｇ４８０５）である軸受装置に使用したところ、一般の潤滑オイルを用いた軸受装置と比較して、摩擦抵抗は同等であった。そのために、クリーンルーム内のように、潤滑オイルの蒸発を嫌う環境での使用は極めて有効である。また潤滑オイルのように酸化などによる劣化が少なく、また熱にも強くほとんど変質しなかった。そのために、保守や交換が難しい軸受への使用は有効であった。
【実施例３】
【００２９】
実施例１のリングの表面に、Ｃｕの膜を電子ビームによる蒸着にて形成した。膜厚は約０．２μｍであった。
【００３０】
大気雰囲気中での使用において、この膜を有するリングは、有していないリングと比較して使用開始直後の酸化による変質が起こらないために、実施例１と比較して使用開始直後の摩擦抵抗の上昇がより低く抑えられ、その結果さらなる低摩擦抵抗にて長時間の安定使用が可能だった。
【実施例４】
【００３１】
セラミック製のベアリングは磁性を嫌う用途や、回転負荷の高い用途、潤滑剤が用いられない乾式で用いる用途などに主に用いられる。
【００３２】
本発明の軸受部材の実施例として、実施例１と同じ材質（表面一端から他端まで連通した通気孔を有し、気孔率が２０％である炭窒化珪素をスケルトンとして、スケルトン中の気孔にＩｎを含浸した材料にて）でベアリング用の内輪、および外輪を作製した。ベアリング球は窒化珪素材料のものを用いた。
【００３３】
この本発明のベアリングは、使用開始直後に摺動によりＩｎの融点より温度が上がり、その結果Ｉｎが潤滑剤の役目を果たして摩擦抵抗が下がった。そのために、内輪および外輪が窒化珪素材料で潤滑剤を用いていない従来のベアリングと比較して、高負荷の使用でも摩擦抵抗が一定であり、温度上昇の幅が小さく、長時間安定して使用することができた。
【００３４】
また、比較例として内輪および外輪が窒化珪素材料で潤滑剤を用いたベアリングは、本発明のベアリングと比較して同等の摩擦抵抗であったが、使用中に温度が上がった際に有機系潤滑剤の一部が気化して環境に放出されるために汚染を嫌う環境では使用できなかった。
【実施例５】
【００３５】
平均粒径２μｍのＷＣ粉末９０重量％と、平均粒径３μｍのＮｉ粉末１０重量％とをヘンシェルミキサーにて１時間混合し、超硬合金材料となる混合粉末を得た。その後に、混合粉末に、平均粒径２０μｍであるオレフィン樹脂を混合粉末の重量に対して１重量％加え、さらにヘンシェルミキサーにて１時間混合した。
【００３６】
樹脂の加わった混合粉末を円盤状の密封されたゴム型につめ、冷間静水圧プレス機にて１５０ＭＰａで加圧してプレス体を得た。このプレス体を真空雰囲気炉にて１２７３Ｋまで熱して冷却することによりいわゆる予備焼結を行った。このプレス体を機械加工にて外径φ１００ｍｍ、内径φ８０ｍｍ、厚さ３ｍｍのシールリング形状に成型を行った。脱脂終了後に５Ｋ／分で同様に昇温し、焼結温度の１５７３Ｋまで昇温後２時間保持することにより焼結を行った。冷却後に焼結体の密度を測定したところ、相対密度は８０％であり、焼結体表面一端から他端まで連通した通気孔を有していた。
【００３７】
炭素容器中にこの焼結体の体積に対して２５％にあたる量のＩｎ合金（Ｉｎ６０重量％、Ｓｎ４０重量％、Ａｇ２０重量％からなるＩｎ合金）を敷き詰め置き接触させた状態にて置き、熱処理炉に投入した。炉内は水素ガスによる還元雰囲気であり、その状態で４７３Ｋに昇温し、冷却後に取り出した。熱処理中に液状となったＩｎ合金が、毛細管現象により焼結体を溶浸した。溶浸後に得られた材料の表面に残留した溶浸しなかったＩｎ合金を除去すると共に、加工機にて部品形状である外径φ８５ｍｍ、内径φ６５ｍｍ、厚さ２ｍｍのシールリングとした。
【００３８】
得られたシールリングを、高圧弁用のリテーナ、ボデーとボンネット間に用いるシールリングとして用いた。流体は加熱蒸気を用いて、試験圧力は２．３５ＭＰａ、温度は８７３Ｋで試験した。この条件で使用しても、本発明のシールリング部からは蒸気の漏洩はなく、安定して使用できた。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の摺動部材は、メカニカルシールやスリーブ、ベアリングなどの摺動部材をはじめ、使用時に摺動が発生する合金やセラミックス部材として使用することができる。また、本発明は長期間にわたり真空環境や高温環境など、有機潤滑剤が適さない環境下で好適に使用できる摺動部材に利用できる。